粉煤灰助磨激发材料的应用研究

杭美艳,苏 京,张 平,王树奇

(1.内蒙古科技大学,包头 014010;2.包头市钢鹿建筑材料有限责任公司,包头 014010)

粉煤灰助磨激发材料的应用研究

杭美艳1,苏 京1,张 平2,王树奇2

(1.内蒙古科技大学,包头 014010;2.包头市钢鹿建筑材料有限责任公司,包头 014010)

非等级低活性粉煤灰不能直接应用于水泥混凝土中,该文通过大量试验研究,将几种粉煤灰复合助磨激发材料与非等级低活性粉煤灰共同粉磨。研究表明:A、B、C三种粉煤灰助磨激发材料均能使粉煤灰需水量比减小,活性指数提高,其他指标均符合Ⅰ级粉煤灰技术规范标准要求。考虑粉煤灰活性激发效果与经济效益等因素,选用B型粉煤灰助磨激发材料作为该电厂久置粉煤灰的激发材料,用该材料磨制的粉煤灰需水量比小,活性指数较高,可以大量应用于水泥混凝中,该项研究成果解决久置粉煤灰的应用问题。

粉煤灰; 需水量比; 活性指数; 适应性

呼和浩特恒泰发电厂年产粉煤灰近60万t,堆积久置多年,目前该厂粉煤灰储藏深度为9～12 m,储量己达500万t以上,占地600多亩。由于该厂粉煤灰氧化钙含量较低,需水量比高,28 d活性指数较小,不能直接应用于水泥混凝土中,利用率低。发电厂排出的粉煤灰得不到有效利用,不仅浪费资源,而且造成侵占耕地等不良影响。

该课题运用机械粉磨和化学激发的方式将粉煤灰进行粉磨,通过添加几种复合粉煤灰助磨激发材料来提高粉磨效果,提高久置粉煤灰的活性指数,即将细度大、需水量比大的久置非等级低活性粉煤灰研制成各项指标均符合技术规范要求的一级磨细粉煤灰,且磨细粉煤灰与萘系减水剂的适应性良好。该项目研究成果提高了久置粉煤灰的使用价值,同时解决环境污染等技术问题。

1 试验材料

水泥:冀东P·O42.5普通硅酸盐水泥,标准稠度用水量26.7%,28 d抗压强度为53.4 MPa,其余各项指标均符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)的要求。

原状粉煤灰:恒泰发电厂排放久置非等级原状粉煤灰,细度56%(45μm筛余量),需水量比122%,化学成分见表1。

表1 原状粉煤灰化学成分 w/%

砂:检验粉煤灰需水量比及活性指数试验采用砂为标准砂,符合《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)规定;检验粉煤灰与萘系减水剂的适应性试验采用砂为普通河砂,过2.36 mm标准筛,细度模数为2.42,含泥量为3%。

助磨激发材料A、B、C三种(由激发,助磨组分等组成)。

萘系减水剂:包头市钢鹿建筑材料有限责任公司生产,性能指标均符合《混凝土外加剂》(GB 8076—2008)。

水:普通自来水,符合《混凝土用水标准》(JGJ 63—2006)。

2 试验方法

2.1 助磨试验

该试验采用粉体助磨激发材料,掺量为0.6%。根据球磨机粉磨效果选取A、B、C三种复合助磨激发材料,将其分别掺入粉煤灰中,用标准试验小磨ϕ500 mm×500 mm进行粉磨试验。在粉磨过程中严格控制粉磨时间(30 min),通过检测细度、比表面积确定助磨激发材料的助磨效果。

2.2 需水量比及活性指数试验

粉煤灰需水量比为试验胶砂(J1-2、A-2、B-2、C-2)用水量与基准胶砂(J-2)用水量(225 g)的比值,试验胶砂用水量为试验胶砂流动度达到基准胶砂流动度±5 mm范围内时的用水量。该试验参照《高强高性能混凝土用矿物外加剂》(GB/T 18736—2002)进行。粉煤灰的活性指数为测得相应龄期(28 d)试验胶砂和基准胶砂抗压强度的比值。

2.3 磨细粉煤灰与萘系减水剂适应性试验

参照《高强高性能混凝土用矿物外加剂》(GB/T 18736—2002)及《混凝土外加剂应用技术规范》(GB 50119—2013),在相同的水胶比、胶砂比条件下,掺入一定量的外加剂,测定砂浆初始流动度及10 min后流动度,分析其适应性。

3 试验结果及分析

3.1 粉煤灰助磨试验研究

粉煤灰助磨试验是将粉煤灰进行磨细加工,以降低粉煤灰的细度,增大比表面积,强化粉煤灰火山灰效应,提高粉煤灰的水化程度。该试验数据见表2和图1。

表2 粉煤灰助磨激发材料的助磨效果

从细度与比表面积试验来看,掺入助磨激发材料A、B、C后粉煤灰细度降低,比表面积提高,这说明激发材料A、B、C均起到了一定的助磨效果,以激发材料B的45μm筛余量降低幅度最大。

粉煤灰通过球磨机的粉磨破坏使粉煤灰中玻璃体分散成单个微珠,改善表面特征和颗粒的级配分布。掺入助磨激发材料A、B、C后对粉煤灰玻璃体结构的破坏力加强,这是由于助磨材料的吸附作用,使粉煤灰的表面自由能下降,导致颗粒整体强度下降,最终提高粉磨效率。经助磨材料作用的磨细粉煤灰颗粒分布更加均匀,粗大玻璃体被打碎后的粉体与细小密实的玻璃体均匀相间分布[1],故使磨细粉煤灰的比表面积增大,细度降低,成型的粉煤灰结构更加密实。

3.2 磨细粉煤灰需水量比及活性指数试验研究

激发粉煤灰活性对粉煤灰使用价值有重要意义,粉煤灰活性激发方法主要分为化学激发、物理激发、热力激发、电极化方法激发、复合激发等。本课题运用机械粉磨和化学激发将粉煤灰进行粉磨,通过添加几种复合粉煤灰助磨激发材料用来提高粉磨效果,对粉煤灰进行活性激发。磨细粉煤灰需水量比及活性指数试验见表3。

从表3中看出,未掺入助磨激发材料的粉煤灰需水量比为105%,在掺入助磨激发材料后,需水量比降为95%以下,符合Ⅰ级粉煤灰需水量比技术要求。掺入助磨激发材料,进行机械粉磨,目的是改变其表面结构、颗粒组成,粉煤灰颗粒表面被激发材料有效地包裹,使颗粒之间的表面能和表面张力降低,减少粉煤灰的团聚,球形颗粒增多,发挥“滚珠”作用,体系的流动性增加,和易性改善,从而降低需水量比[1,2]。

表3 磨细粉煤灰的活性指数

从表3和图2看出,未掺入助磨激发材料(J1-2)的粉煤灰,3 d、28 d抗折抗压强度与纯水泥(J-2)相比下降明显。掺入助磨激发材料的粉煤灰(A-2、B-2、C-2)与未掺加助磨激发材料相比,3 d抗折强度相近,抗压强度提高1.7 MPa以上;28 d抗折强度略有提高,抗压强度提高2.8 MPa以上。

粉煤灰活性激发最终都是使粉煤灰中活性SiO2、Al2O3与Ca(OH)发生二次水化反应后能生成水化硅酸钙(CS-H)和水化铝酸钙(C-A-H)。该试验在加入助磨激发材料后对粉煤灰进行活性激发,对体系进行“补钙”,提高体系的CaO/SiO2比,破坏粉煤灰致密的玻璃质层,使内部可溶性的SiO2、Al2O3释放出来,促进二次水化反应,生成更多水化硅酸钙、水化铝酸钙,这些水化产物成为强度的主要来源,使粉煤灰3 d、28 d活性指数得到提升[3-5]。

3.3 磨细粉煤灰与萘系减水剂适应性研究

粉煤灰主要用于水泥混凝土的生产,特别适合配制泵送混凝土、大体积混凝土、高强高性能混凝土等,而其中必会掺加各种外加剂(如萘系减水剂、聚羧酸减水剂、引气剂等),故需要研究粉磨后的粉煤灰与减水剂的适应性。该试验以萘系减水剂为例,磨细粉煤灰与萘系减水剂的适应性试验数据见表4。

从表4可看出,在水胶比、胶砂比相同的情况下,掺入助磨激发材料A、B、C粉磨之后的粉煤灰与纯水泥相比初始流动度较小,但比未掺入粉煤灰助磨激发材料的初始流动度大。这主要是由于,经助磨激发材料粉磨之后的粉煤灰,团聚现象减少,球形颗粒增多,滚珠作用和微细集料效应明显,体系流动性增加,和易性改善,试验表现为流动度增大,流动度经时损失量减小,与萘系减水材料的适应性好,研制的磨细粉煤灰可应用于水泥混凝土中大量取代水泥。

由表4还可看出,掺入助磨激发材料的粉煤灰与不掺加助磨激发材料相比3 d抗压强度提高2 MPa以上,28 d抗压强度提高4 MPa以上,活性指数达到91%以上,其原因是助磨激发材料与粉煤灰共同粉磨后,破坏粉煤灰致密保护层,二次水化反应更加充分,使水化硅酸钙、水化铝酸钙等增加强度的水化产物增多,再加上粉煤灰颗粒的粒径比水泥颗粒小,可以更好的分布填充于水泥颗粒的间隙,改善砂浆孔隙结构,提高密实性,从而提高抗压强度。

表4 磨细粉煤灰与萘系减水剂的适应性

4 结 论

a.该文研究的粉煤灰激发材料A、B、C均能够很好的激发粉煤灰活性,降低粉煤灰的细度,增大比表面积,降低需水量比,提高粉煤灰的活性指数。

b.掺入A、B、C的磨细粉煤灰砂浆流动度比不掺入助磨激发材料的粉煤灰砂浆流动度大,10 min损失量较小,与萘系减水剂适应性更好。

c.A、B、C三种助磨激发材料均能够很好的起到助磨与激发的效果,但考虑粉煤灰活性激发效果与经济性因素,最终选取助磨激发材料B应用到该厂粉煤灰中,经粉磨后,使粉煤灰的需水量比降到95%,达到了Ⅰ级粉煤灰要求,提高久置粉煤灰的使用价值,解决环境污染问题。

[1] 江朝华,周际东,严 生.助磨材料作用下粉煤灰微细化机械力-化学的分析[J].重庆环境科学,2003,25(11),68-70.

[2] 杨晓凤,彭龙贵,郭 蓓,等.乙二醇对粉磨Ⅲ级粉煤灰活性激发的影响研究[J].冶金工程,2010,30(1):84-86.

[3] 柯国军,杨晓峰,彭 红,等.化学激发粉煤灰活性机理研究进展[J].煤炭学报,2005,30(3):366-370.

[4] 钱觉时,范英儒,明德华,等.粉煤灰活性的激发[J].重庆建筑大学报,1995,17(3):111-117.

[5] 任书霞,要秉文,王长瑞.粉煤灰活性的激发及其机理研究[J].粉煤灰综合利用,2008(4):50-52.

Research of Fly Ash Grinding Exciting Materials

HANG Mei-yan1,SU Jing1,ZHANG Ping2,WANG Shu-qi2
(1.Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;
2.Baotou Steel Deer Building Materials Company,Baotou 014010,China)

Non-low grade activity fly ash can not be directly used in the cement concrete.A lot of tests in which we ground together several fly ash composite grinding material and the high level of activity of fly ash are researched in this paper.The studies have shown that A,B,C three kinds of fly ash grinding exciting materials can not only decrease the ratio of water demand but also increase the activity index of the polished ash.And other indicators are in the line with fly technical standards requirements gradeⅠ.Considering the factors of active excitation effect and economic benefits of fly ash,we choose B-inspired material grinding fly ash as the main active material to make ash in the power plant.It has great benefits,high activity index,it can be widely used in cement and concrete,and solves the applicable matters of long-time saved ash.

fly ash; water demand ratio; grinding excitation; adaptability

2014-07-08.

内蒙古自然基金(2013 MS0731).

杭美艳(1964-),教授级高级工程师.E-mail:hangmeiyan64@163.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.003